BADANIE WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI CYRKONOWYCH POWLOK CERAMICZNYCH NA TRYSKANYCH NA STALI ZAWOROWEJ HlOS2M

Transkrypt

1 28/42 Solidification o f Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 FAN-Katowice, PL ISSN BADANIE WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI CYRKONOWYCH POWLOK CERAMICZNYCH NA TRYSKANYCH NA STALI ZAWOROWEJ HlOS2M NAPADŁEK Wojciech, GOŁDA Marcin, PRZETAKIEWICZ Wojciech* Wydział Mechaniczny Wojskowa Akademia Techniczna ul. S.Kaliskiego 2, Warszawa 49 *Wyższa Szkoła Morska Wały Chrobrego 112, Szczecin STRESZCZENIE. Praca porusza tematykę adiabatyzacji komory spalania przy zastosowaniu termoizolacyjnych powłok ceramicznych na bazie Zr0 2 +8% Y oraz z domieszką 30%AI ffi naniesionych na denko zaworu wylotowego wykonanego ze stali HlOS2M. Badane powłoki zostały wykonane metodą natryskaniaplazmowego (z zastosowaniem międzywarstwy NiAI 70/30) oraz metodą nanoszenia gazodetonacyjnego. W pracy przedstawione są wyniki badaó gęstości i porowatości, przyczepności oraz odporności na szoki termiczne opisywanych powłok. l. WPROW ADZENIE W praktyce w silniku dąży się do minimalizacji strat ciepła przez ścianki cylindra i komory spalania w czasie spalania i rozprężania oraz ograniczenia odpływu ciepła od czynnika podczas dolotu i sprężania. Prowadzi to do wzrostu uzyskanej energii czynnika roboczego, wzrostu sprawności (cieplnej obiegu) ogólnej silnika, zwiększenia pracy w cyklu oraz do większej energii spalin, którą można wykorzystać. Badania nad istotnym ograniczeniem ilości ciepła odprowadzanego przez elementy komory spalania do czynnika chłodzącego stały się możliwe po opracowaniu ceramicznych materiałów termoizolacyjnych, charakteryzujących się niską przewodnością cieplną i dużą odpornością na zmienne obciążenia cieplne i mechaniczne [1,2].

2 254 Izolację termiczną komór spalania można wykonać, stosując konstrukcyjne wkładki z ceramiki monolitycznej lub poprzez naniesienie powłok ceramicznych na metalowe podłoże elementów komór. Zastosowanie izolacji termicznej w postaci nakładanych powłok termoizolacyjnych ma tę zaletę, że nie wymaga dokonywania zasadniczych zmian w konstrukcji elementów istniejących silników spalinowych. 2. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań podjętych w niniejszej pracy było zbadanie i określenie wybranych właściwości materiału termoizolacyjnego Zr0 2 +8% Y 20 3 nanoszonego gazodetonacyjnie oraz natryskiwanego plazmowo na denko zaworu wykonanego ze stali HlOS2M Osiągniecie celu wymagało przeprowadzenia: - pomiaru gęstości i porowatości otrzymanych powłok ceramicznych; - obserwacji powierzchni i struktury powłok; - pomiaru przyczepności powłok Zr %Y20 3 do podłoża ze stali HlOS2M; - badania odpornosci powłok na oddziaływanie cykli cieplnych (szoki termiczne). 3. WYNIKI BADAŃ Do badań wytypowano proszek Zr %Y (producent firma Herman C. Starek -Niemcy) o wielkości cząstek mieszczących się w przedziale j.lm, przeznaczony do natryskiwania plazmowego. Do tego celu wykorzystano plazmotron PLANCER PN-200 produkcji IEA w Swierku. W pierwszym etapie próby gazodetonacyjnego nanoszenia powłok użyto proszek Zr % Y Mała granulacja użytego proszku była przyczyną braku przyczepności, a w efekcie odpadania powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie. W drugim etapie do próby nanoszenia wytypowano proszek Zr0 2 +8%Y 20 3, do którego dodano objętościowo 30%AI ffi0 2 87/ Pomiar gęstości i porowatości Obliczenia gęstości i porowatości wykonano w oparciu o PN-66/H Powłoka natryskiwana plazmowo Gęstość powłoki: Porowatość otwarta Pa = 9,7% Porowatość zamknięta Pz = 6,4 % Y= 4,34 [ ~ 3]

3 255 Porowatość całkowita jest sumą porowatości otwartej P o porowatości zamkniętej Pz Pc = Po+ Pz= 9,7 + 6,4 = 16,1 o/o Powłoka nanoszona gazodetonacyjnie Gęstość powłoki Zr0z+8% Yz03+(30% Ałz03ffiOz 87113) wynosi: Porowatość otwarta P o = 8,9 % Porowatość zamknięta P = 4,2 % Y= 5,62 [ ~ 3] Porowatość całkowita jest sumą porowatości otwartej P o porowatości zamkniętej Pz 3.2. Powierzchnia i struktura powłok Pc = Po+ Pz= 8,9 + 4,2 = 13,1% Powłoka Zr % Y z0 3 Na rysunku l przedstawiony został przekrój próbki z natryskaną płazmowo powłoką Zr %Y Analiza strukturalna powłoki wykazała budowę pasmową, porowatą. Na przedstawionej fotografii widoczna jest znaczna ilość porów otwartych, lecz są one małe i równomiernie rozłożone w strukturze powłoki. NiAI 70/30 H los 2M Rys. l. Mikrostruktura powłoki ceramicznej Zr % Y natryskanej plazmowo Z analizy warstwy cerarniki otrzymanej na powierzchni próbki można stwierdzić : ~ grubość warstwy Zr % Y zawiera się w przedziale !!m;

4 256 ~ grubość międzywarstwy NiAI 70/30 w granicach j.!m; ~ dobre połączenie międzywarstwy NiAI 70/30z powłoką ceramiczną, bez widocznych pęknięć i odwarstwiei't na granicy NiAI- ceramika; ~ dobrze rozwiniętą powierzchnię międzywarstwy umożliwiającą wystąpienie adhezji mechanicznej w połączeniu z ceramiką oraz materiałem podłoża ; )> połączenie podłoże (stal Hl OS2M) - międzywarstwa wykazuje dobrą spójność, brak nieciągłości, odwarstwień ; ~ brak pęknięć w całym przekroju powłoki; ~ pory są równomiernie rozłożone w powłoce ceramicznej i międzywarstwie. Natryskiwanie powłoki ceramicznej Zr %Y odbywało się na podgrzaną powierzchnię międzywarstwy NiAI 70/30. W związku z tym, prawdopodobne jest powstawanie w przeważającej mierze połączeó cząstek powłoki ceramicznej z podłożem (międzywarstwą) o charakterze adhezyjnym. Powierzchnia ceramiki (rys.2) jest niejednorodna; w całym jej obszarze występują strefy nieciągłości wpływające na porowatość otwartą powłoki. Widoczne są obszary, gdzie ceramika uległa tylko częściowemu przetopieniu. Na powierzchni ceramiki nie zaobserwowano siatki pęknięć, która powodowałaby odwarstwianie się powłoki. W miejscach, gdzie ceramika uległa częściowemu przetopieniu, widoczne są mikropęknięcia powierzchni o długości 5+30 j.!m spowodowane miejscowym oddziaływaniem wysokiej temperatury. Rys. 2. Powierzchnia powłoki ceramicznej Zr o/oY natryskiwanej plazmowo

5 Powłoka Zr %Yill % Al tri natryskana gazodetonacyjnie Analiza strukturalna poprzecznych zgładów powłok nanoszonych gazodetonacyjnie wykazała budowę pasmową i porowatą (rys.3). Struktura powłok jest wyraźnie ukierunkowana w wyniku oddziaływania wysokiego ciśnienia gazów oraz dużej energii nanoszonych ziaren proszku. W powłoce można również zaobserwować znaczne ilości równomiernie rozłożonych porów o niewielkich rozmiarach. Z analizy otrzymanej gazodetonacyjnie warstwy ceramiki można stwierdzić : ~ grubość warstwy rzędu 0,35.;-0,45 mm; ).> dobre połączenie powłoki z podłożem, bez odwarstwień i pęknięć; ).> brak pęknięć i nieciągłości na całej głębokości przekroju powłoki ; ~ dużą spójność warstwy ceramiki wynikającą z dynamicznego oddziaływania na siebie ziaren proszku; ~ rozwiniętą powierzchnię materiału podłoża, dającą możliwość powstawania licznych połączeń typu kształtowego. Ceramika Zr0z+8% Y zoj+ (30% A}z0 3 /Ti Podłoże H l OS 2M Rys. 3. Mikrostruktura powłoki ceramicznej Zr %Y (30% Ah0 3 tri ) naniesionej gazodetonacyjnie Nanoszenie gazodetonacyjne powłoki odbywało się na zimną powierzchnię materiału podłoża. Najprawdopodobniej obok połączeń adhezyjnych cząstek ceramiki z podłożem, w wyniku dużych prędkości nanoszonego proszku powstały połączenia o charakterze mechanicznym. Powierzchnia ceramiki (rys.4) jest porowata; niejednorodność powierzchni jest mniejsza niż w przypadku powłoki natryskanej plazmowo. Nierówności wynikające z częściowo przetopionych ziaren proszku na powierzchni ceramiki,

6 258 równomiernie rozkładają się na całym obszarze obserwowanej próbki. Obserwacja powłoki nie wykazała istnienia mikropęknięć o długości większej niż l OJ..Lm Mikrotwardość powłok ceramicznych W celu określenia mikrotwardości powierzchni otrzymanych powłok wykonano l O pomiarów metodą Knoopa. Przed pomiarem powierzchnie próbek poddane zostały szlifowaniu, w celu wyrównania powierzchni ceramicznej. Dokonano porównania średnich wartości mikrotwardości HK O, l powłok ceramicznych na bazie dwutlenku cyrkonu naniesionych metodą plazmową oraz wybuchową. Z prawdopodobieństwem 90% oceniono wartość zmierzonej mikrotwardości powłoki ceramicznej Zr0 2 +8%Y ( ) HK 0,1 oraz powłoki Zr0z+8% Yz03+30% Alz0ifi0 2 ( ) HK 0,1. Wyznaczając średnie wartości mikrotwardości otrzymano : -dla powłoki natryskanej plazmowo 558,3 HK 0,1; - dla powłoki naniesionej gazodetonacyjnie 758,9 HK O, l. Rys. 4. Powierzchnia powłoki ceramicznej Zr %Y (30% A]z03/Ti ) naniesionej gazodetonacyjnie Na podstawie wyznaczonego z serii pomiarów odchylenia standardowego, można wnioskować o jakości otrzymywanych powłok ceramicznych. Najmniejszy rozrzut wyników pomiarów mikrotwardości występuje w przypadku powłoki nanoszonej plazmowo. W przypadku powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie wartość odchylenia standardowego jest dwukrotnie większa. Na podstawie wielkości rozrzutu wyników można z pewnym przybli że niem wnioskować o niejednorodności powierzchni ceramiki. Odnosząc to do przeprowadzonych badaó stwierdzamy, że stopieó niejednorodności powierzchni powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie jest większy w porównaniu do powłoki natryskiwanej plazmowo.

7 Przyczepność powlok do podłoża Średnie wartości przyczepności powłok obliczono na podstawie wyników uzyskanych z 5 pomiarów. Podczas pomiarów przyczepnosc1 (metoda odrywania natryskanych i sklejonych żywicą powłok) powłoki Zr0 2 +8% Y natryskiwanej plazmowo zaobserwowano, że na wszystkich próbkach powłoka wraz z międzywarstwą NiAl odrywała się od podłoża ze stali zaworowej. Świadczy to o tym, że przyczepność ceramicznej powłoki Zr0 2 +8%Y do podłoża stalowego jest uwarunkowana wytrzymałością połączenia NiAI - stal zaworowa. Na powierzchni oderwanej międzywarstwy nie stwierdzono materiału podłoża. W przypadku pomiarów przyczepności ceramiki nanoszonej gazodetonacyjnie na powierzchni oderwanej powłoki również nie stwierdzono wyrwanych części podłoża. Otrzymano następujące średnie wartości przyczepności : - dla powłoki natryskiwanej plazmowo 6,78 MPa, - dla powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie 8,12 MPa. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż wszystkie znane metody pomiarów przyczepności powłok obarczone są pewnym, większym lub mniejszym błędem. Wynika stąd, że końcowe efekty doświadczeń bardzo często nie są powtarzalne, występują rozrzuty uzyskiwanych wartości. Ma na to wpływ szereg czynników, warunkujących rzeczywistą przyczepność powłoki ceramicznej do podłoża (m.in. niejednorodna grubość powłoki ceramicznej i warstwy klejowej, powstawanie znacznych naprężeń na brzegach próbek) Odporność na cykliczne zmiany temperatury Celem tych badań było określenie skłonności powłok ceramicznych do pękania i odwarstwień, jakie mogą występować podczas cyklicznie powtarzającego się szybkiego nagrzewania i chłodzenia. Badane powłoki po natryśnięciu cyklicznie nagrzewano i chłodzono w przedziale temperatur K (nagrzewanie palnikiem gazowym, chłodzenie w wodzie). W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że powłoki Zr0z+8 o/oy z0 3 natryskiwane plazmowo na podłoże ze stali H10S2M wytrzymują o 10% większą liczbę cykli cieplnych (średnio 580), w porównaniu z powłokami nanoszonymi gazodetonacyjnie (średnio 520). Jest to spowodowane różnicą wartości współczynników rozszerzalności cieplnej a materiałów : - podłożahios2m(a= 15, K 1 ), - międzywarstwy NiAI 70/30 (a= 13, K\ - ceramiki Zr0 2 (a= 10, K 1 ). Różnica współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów stal Hl OS2M - ZrOz (!la = 5,6 o 10-6 K 1 ) jest o około 40% większa niż NiAl - ZrOz (!la= 3, K 1 ). W związku z tym, naprężenia termiczne wywołane szybkimi zmianami temperatury są dla układu stal Hl OS2M- powłoka ceramiczna większ e, niż dla połączenia międzywarstwa NiAl - powłoka ceramiczna. Powstające na

8 260 granicy styku materiałów naprężenia warunkują o l 0% krótszą żywotność powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie (bez międzywarstwy). Na rysunkach 5 i 6 można zaobserwować pęknięcia i odwarstwienia ceramiki powstałe w wyniku oddziaływań cykli cieplnych na powierzchnię powłoki. W przypadku powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie oddzielenie warstwy ceramiki nastąpiło na granicy połączenia podłoże- ceramika (rys. 5). Dla powłoki natryskiwanej plazmowo odwarstwienie nastąpiło w pobliżu granicy międzywarstwa - ceramika (rys.6). Odwarstwienia zlokalizowane główni e w pobliżu granicy Zr0 2 - NiAI spowodowane były tym, że ró żnica współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów powłoka - miedzywarstwa (~a = 3, K 1 ) jest większa niż w przypadku połączenia podłoże - międzywarstwa (~a= 2, K 1 ). W przypadku powłoki natryskiwanej plazmowo poddanej oddziaływaniu cyklicznych zmian temperatury powstała siatka pęknięć (rys.7, 8). Długość pęknięć kształtowała się w granicach m. W wyniku dalszego ogrzewania i chłodzenia pęknięcia rozszerzały się sięgając do powierzchni międzywarstwy NiAI 70/30 powodując odpadanie powłoki większymi fragmentami (rys.9). Ce ramika Zr0z+8% Y z0 3+ (30% Al.z03ffiOz Rys. 5. Odwarstwienia ceramiki na granicy podłoże - powłok a (nanoszenie gazodetonacyj n e)

9 261 Podłoże Międzywarstwa Ceram_ita Zr02+8% Y , Rys. 6. Pęknięcia ceramiki na granicy Zr0 2 +8%Y NiAI 70/30 (natryskiwanie plazmowe) Rys. 7. Siatka pęknięć p owstająca na powierzchni powłoki natryskiwanej plazmowo

10 262 : ~:~~ f ~~~~ ~"' Międzywarstwa NiAl Odpadanie powłoki Rozszerzające się pęknięcia powłoki Rys.8. Rozszerzające się pęknięcia powodujące odpadanie powłoki natryskiwanej plazmowo Pęknięcia powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie nie tworzyły siatki (rys.9) w przeciwieństwie do powłoki natryskiwanej plazmowo. Długość pęknięć kształtowała się w granicach l Jlm, szczeliny miały większą szerokość powodując wcześniejsze łuszczenie się powłoki, nie obejmując w początkowym okresie całego przekroju warstwy ceramiki. Uogólniając, można stwierdzić, że charakter powstawania pęknięć odwarstwiel1 pod wpływem cykli cieplnych był odmienny w obu przypadkach badanych powłok. Powstające i rozszerzające się pęknięcia w przypadku ceramiki natryskiwanej plazmowo obejmowały cały przekrój powodując odpadanie powłoki, a w przypadku warstwy nanoszonej gazodetonacyjnie łuszczenie powierzchni ceramiki. Podłoże stali Hl OS 2M Łuszczenie się ceramiki Zmniejszenie grubości powłoki Rys. 9. Pęknięcia powierzchni ceramiki nanoszonej gazodetonacyjnie (łuszczenie powłoki) Pęknięcia

11 263 Wyniki badań nad modelowaniem numerycznym mikrostruktury ceramiki przedstawiono w pracach [3,4]. Zamieszczone tam wyniki wskazują na istnienie naprężeń resztkowych w mikrostrukturze, z których powstają i rozwijają się pęknięcia pod wpływem obciążeń pochodzących od temperatury. Autorzy planują zastosować metody numerycznego modelu do materiałów ceramicznych rozważanych w niniejszej pracy i uzyskane wyniki skonfrontować z rezultatami otrzymanymi w eksperymencie. 4. WNIOSKI l. Nanoszenie gazodetonacyjne powłoki Zr02+8% Y 20 3 w pierwszej fazie badal1 wymusiło konieczność domieszkowania 30%proszku wyjściowego proszkiem Ah03/Ti02 87/13, prawdopodobnie ze względu na ich zróżnicowaną ziarnistość oraz większą plastyczność po stopieniu 2. Przyczepność badanych powłok (Zr02+8% Y 20 3-natryskiwana plazmowo oraz Zr02+8%Y20 3 z domieszką 30% Ah03/Ti natryskiwana gazodetonacyjnie) była zróżnicowana (różnica ok. 30%) i wynosiła średnio dla pierwszej z nich 6,78 MPa i 8,12 MPa dla dru~iej, mimo, że druga z nich nie posiadała międzywarstwy NiAI 70/30. Swiadczy to o korzystnym wpływie dynamiki procesu natrysku (bardzo duża energia kinetyczna roztopionych cząstek) na przyczepność naniesionych powłok na denko zaworu wylotowego wykonanego ze stali HlOS2M. Prawdopodobnie, zastosowanie międzywarstwy NiAI 70/30 zwiększyłoby jeszcze przyczepność ceramiki nanoszonej gazodetonacyjnie. 3. W wyniku przeprowadzonych badal1 stwierdzono, że powłoki Zr02+8%Y203 natryskiwane plazmowo na podłoże ze stali HlOS2M z międzywarstwą NiAI 70/30 wytrzymują o l 0% większą liczbę cykli cieplnych (średnio 580), w porównaniu z powłokami nanoszonymi gazodetonacyjnie (średnio 520). Jest to spowodowane najprawdopodobniej mniejszą w tym przypadku różnicą wartości współczynników rozszerzalności cieplnej a materiałów. Różnica współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów stal HI OS2M-Zr02 (!m = 5, K 1 ) jest o około 40% większa niż NiAI-Zr02 (!la 3, K 1 ). 4. Obserwacje charakteru odwarstwie!'1 ceramiki od podłoża międzywarstwy ujawniły różne mechanizmy niszczenia powłok. W przypadku powłoki natryskiwanej plazmowo, poddanej oddziaływaniu cyklicznych zmian temperatury, powstała siatka pęknięć, których długość ksztahowała się w granicach Jlm. W wyniku dalszego ogrzewania i chłodzenia pęknięcia rozszerzały się sięgając do powierzchni międzywarstwy NiAI 70/30, powodując odpadanie powłoki większymi fragmentami. Odwarstwienia zlokalizowane głównie w pobliżu granicy Zr02-NiAI, spowodowane były różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej materiałów powłoki i miedzywarstwy.

12 Pęknięcia powłoki nanoszonej gazodetonacyjnie nie tworzyły siatki spękań. Długość pęknięć kształtowała się w granicach l Jlm, szczeliny miały większą szerokość powodując wcześniejsze łuszczenie się powłoki, nie obejmując w początkowym okresie całego przekroju warstwy ceramiki. 6. Należy prowadzić dalsze badania technologiczne nad optymalizacją warunków technicznych nanoszenia, polepszeniem przyczepności i odporności na zmienne obciążenia termiczne, wykorzystując modele numeryczne oraz laboratoryjne metody badawcze. S. LITERA TURA [1]. BURAKOWSKI T., WIERZCHOŃ T.: Inżynieria powierzchni metali. Warszawa 1995 r. [2]. MRUK A.: Badania nad zastosowaniem termoizolacyjnych powłok ceramicznych na bazie Zr02 w budowie silników spalinowych. Kraków 1995 r. [3]. NIEZGODA T., SZYMCZYK W.: Analiza naprężeń własnych w ceramice Al20 3 za pomocą metody elementów skończonych. Inżynieria Materiałowa Nr 3/1997, s [4]. NIEZGODA T., MAŁACHOWSKI J., BONIECKI M.: Numeryczna metoda wyznaczania stanu naprężenia w obszarze czoła pęknięcia w ceramice Al20 3 z uwzględnieniem efektu mostkowania. Inżynieria Materiałowa Nr 4/1997, s